ENSAIOS MECÂNICOS DE MATERIAIS METÁLICOS

ENSAIOS MECÂNICOS

Na indústria moderna, cada vez mais competitiva, tornou-se imprescindível obter conhecimento sobre as propriedades mecânicas dos materiais metálicos. A partir desta necessidade, foram desenvolvidos métodos para alcançarmos tais informações, os ensaios mecânicos.

Os ensaios realizados para se determinar as propriedades mecânicas dos materiais são geralmente destrutivos (promovem a ruptura do material).

Dentre os ensaios, os principais são: tração, dobramento, flexão, impacto e compressão.

DETERMINAÇÃO DAS PROPRIEDADES MECÂNICAS

Durante o ensaio vários fatores são considerados: Natureza da carga aplicada (trativa, compressiva, etc.), magnitude (estática ou dinâmica), duração e condições ambientais (temperatura, exposição a agentes corrosivos, etc.).

Na maioria dos ensaios mecânicos, a carga é estática ou se altera de maneira relativamente lenta com o tempo, sendo aplicada de forma uniforme sobre o componente.

Alguns dos ensaios permitem obter dados que podem ser usados nos cálculos das tensões de trabalho, entretanto, outros apenas fornecem resultados comparativos ou qualitativos que auxiliam da determinação de outros resultados.

APLICAÇÃO DOS ESFORÇOS Cada tipo de ensaio possui um estímulo externo

distinto. A figura a seguir mostra a esquemática de cargas trativa, compressiva, cisalhante e de torção.

ENSAIO DE TRAÇÃO Consiste na aplicação de carga de tração uniaxial crescente

em um corpo de prova especifico até a ruptura. Trata-se de um ensaio amplamente utilizado na indústria de componentes mecânicos, devido às vantagens de fornecer dados quantitativos das características mecânicas dos materiais.

Com esse tipo de ensaio, pode-se afirmar que praticamente as deformações promovidas no material são uniformemente distribuídas em todo o seu corpo, pelo menos até ser atingida uma carga máxima próxima do final do ensaio.

A uniformidade termina no momento em que é atingida a carga máxima suportada pelo material, quando começa a aparecer o fenômeno da estricção ou da diminuição da secção do corpo de prova, no caso de materiais com certa ductilidade.

ENSAIO DE TRAÇÃO Nos corpos de provas normalmente a seção reta é

circular, porém corpos de provas retangulares também são usados. O diâmetro padrão é aproximadamente 12,8 mm, enquanto a seção reduzida deve ser pelo menos quatro vezes esse diâmetro. O corpo de prova é preso pelas extremidades nas garras de fixação do dispositivo de testes.

A máquina de ensaio de tração é projetada para alongar o corpo de prova a uma taxa constante, além de medir contínua e simultaneamente a carga instantânea aplicada e os alongamentos resultantes, isso com o auxilio de extensômetros.

ENSAIO DE TRAÇÃO Quando um corpo de prova é submetido a um ensaio

de tração, a máquina de ensaio fornece um gráfico que mostra as relações entre a força aplicada e as deformações ocorridas durante o ciclo.

Imagem de corpo de prova padrão

ENSAIO DE TRAÇÃO

Mas o que interessa para determinação das propriedades do material ensaiado é a relação entre a tensão e a deformação.

A tensão corresponde à força dividida pela área da seção sobre a qual a força é aplicada.

ENSAIO DE TRAÇÃO O ponto A representa o limite elástico, até este ponto,

assume-se que a deformação elástica é independente do tempo, ou seja, quando uma carga é aplicada, a deformação elástica permanece constante durante o período em que a carga é mantida constante.

Após a remoção da carga, a deformação é totalmente recuperada, ou seja, a deformação imediatamente retorna para o valor zero.

ENSAIO DE TRAÇÃO

A constante de proporcionalidade “E” é o módulo de elasticidade, ou módulo de Young, fornece uma indicação da rigidez do material. Quanto maior for o módulo, menor será deformação elástica resultante da aplicação de uma tensão. A deformação convencional ou nominal é dada:

Na fase elástica os metais obedecem a Lei de Hooke. Suas deformações são diretamente proporcionais às tensões aplicadas.

lo = comprimento inicial l = comprimento final para cada carga P aplicada.

ENSAIO DE TRAÇÃO Acima de uma certa tensão, os materiais começam a

se deformar plasticamente, ou seja, ocorrem deformações permanentes. O ponto na qual estas deformações permanentes começam a se tornar significativas é chamado de limite de escoamento.

Durante a deformação plástica, a tensão necessária para continuar a deformar um metal aumenta até um ponto máximo, chamado de limite de resistência à tração.

Se esta tensão for aplicada e mantida, o resultado será a fratura. Toda a deformação até este ponto é uniforme na seção. A tensão correspondente a fratura é chamada de limite de ruptura.

ENSAIO DE TRAÇÃO O escoamento é entendido como um fenômeno localizado,

que se caracteriza por um aumento relativamente grande na deformação, acompanhada por uma pequena variação na tensão. Isso acontece geralmente no inicio da fase plástica. Durante o escoamento a carga oscila entre valores muito próximos um dos outros.

ENSAIO DE TRAÇÃO O material resiste cada vez mais à tração externa

necessitando de uma tensão cada vez maior para se deformar. É nessa fase que a tensão começa a subir até atingir um valor máximo, chamado de Limite de Resistência, localizado no ponto B.

ENSAIO DE TRAÇÃO Note que a tensão no limite de ruptura é menor do

que no limite de resistência, devido à diminuição de área que acontece no corpo de prova depois que se atinge a carga máxima, localizado no ponto C.

ENSAIO DE TRAÇÃO

Máquina de Ensaio

ENSAIO DE DOBRAMENTO O ensaio de dobramento é utilizado para análise da

conformação de segmentos retos de seção circular, quadrada, retangular, tubular ou outras em segmentos curvos.

O dobramento é bastante utilizado na indústria de produção de calhas, tubos, tambores e de uma grande variedade de elementos conformados plasticamente.

O ensaio de dobramento fornece uma indicação qualitativa da

ductilidade do material. Consiste em dobrar um corpo de prova de eixo retilíneo e seção circular, retangular ou quadrada, assentado em dois apoios afastados a uma distância especificada.

Através do cutelo é aplicada uma força perpendicular ao eixo do corpo do prova, até que seja atingido um ângulo desejado, que é geralmente 90,120 ou 180º.

ENSAIO DE DOBRAMENTO

Se na zona tracionada o material não apresentar trincas ou fissuras ele está aprovado.

ENSAIO DE DOBRAMENTO Há dois tipos de dobramento: o livre e o semiguiado.

Dobramento Livre

Dobramento Semiguiado

Dobramento Livre: É obtido pela aplicação da força nas extremidades do corpo de prova.

Dobramento semiguiado: Vai ocorrer o dobramento numa região especificada pelo cutelo.

ENSAIO DE FLEXÃO Consiste na aplicação de uma carga crescente em

determinados pontos de uma barra geometricamente padronizada. A carga aplicada parte de um valor inicial igual à zero e aumenta lentamente até a ruptura do corpo de prova.

Há dois tipos de ensaio de flexão:

Ensaio e flexão em três pontos: é utilizada uma barra bi apoiada com aplicação de carga no centro da distância entre os apoios, ou seja, existe três pontos de carga.

Ensaio de flexão em quatro pontos: consiste de uma barra bi apoiada com aplicação de carga em dois pontos eqüidistante dos apoios.

ENSAIO DE FLEXÃO Os principais resultados dos ensaios são: módulo de ruptura na

flexão, módulo de elasticidade, módulo de resiliência e módulo de tenacidade.

Os resultados fornecidos podem variar com a temperatura, a velocidade de aplicação da carga, os defeitos superficiais e principalmente com a geometria da seção transversal da amostra.

Flexão em uma barra bi apoiada

ENSAIO DE COMPRESSÃO Os ensaios tensão deformação de compressão podem

ser conduzidos se as forças nas condições de serviço forem desse tipo.

Um ensaio de compressão é conduzido de uma maneira semelhante à de um ensaio de tração, exceto pelo fato de que força é compressiva e o corpo de prova se contrai ao longo da direção da tensão.

Os ensaios de compressão são usados principalmente quando se deseja conhecer o comportamento de um material submetido a deformações grandes e permanentes, como ocorre em aplicações de fabricação, ou quando o material é frágil sob tração.

ENSAIO DE COMPRESSÃO Nos ensaios de compressão, os corpos de prova são

submetidos a uma força axial para dentro, distribuída de modo uniforme em toda seção transversal do corpo de prova.

Ensaio de Compressão

ENSAIO DE COMPRESSÃO Este ensaio pode ser executado na máquina Universal,

com adaptação de duas placas lisas, uma fixa e outra móvel. É entre elas que o corpo de prova é apoiado. Um corpo submetido à compressão sofre uma deformação elástica e a seguir uma deformação plástica.

Corpo de prova sob compressão com deformação elástica.

ENSAIO DE COMPRESSÃO Na deformação plástica, o corpo retém uma

deformação residual depois de ser descarregado.

Corpo de prova sob compressão com deformação plástica

ENSAIO DE COMPRESSÃO Na figura abaixo se pode visualizar as fórmulas para o

cálculo da tensão:

ENSAIO DE COMPRESSÃO Nos materiais dúcteis ocorre uma deformação lateral

apreciável. Essa deformação prossegue até o corpo-de-prova parecer um disco, sem que ocorra a ruptura.

Ensaio de compressão em materiais dúcteis

ENSAIO DE IMPACTO O comportamento dúctil-frágil dos materiais pode ser

mais amplamente caracterizado por ensaio de impacto.

A carga nesse ensaio é aplicada num corpo de prova na forma de esforços por choque (dinâmicos), sendo que o impacto é obtido por meio da queda de um martelete ou pêndulo, de uma altura determinada.

Três fatores principais contribuem para o surgimento de fratura frágil em materiais que são normalmente dúcteis à temperatura ambiente:•Existência de um estado triaxial de tensões. •Baixas temperaturas. •Taxa ou velocidade de deformação elevada.

ENSAIO DE IMPACTO O ensaio de impacto caracteriza-se por submeter ao corpo

ensaiado uma força brusca e repentina, que deve rompê-lo.

Outro fator é a velocidade de aplicação da força, O resultado da força associada com a velocidade se traduz por uma medida de energia absorvida pelo corpo de prova, ou algumas vezes chamada de tenacidade ao entalhe.

O pêndulo é elevado a uma certa posição onde adquire uma energia inicial.

Ao cair ele encontra no seu percurso o corpo de prova, que se rompe. A sua trajetória continua até certa altura, que corresponde à posição final, onde o pêndulo apresenta uma energia final.

ENSAIO DE IMPACTO A diferença entre a energia inicial e final corresponde

à energia absorvida pelo material.

A máquina é dotada de uma escala, que indica a posição do pêndulo, calibrada de modo a indicar a energia potencial.

Ep = mxgxh

Onde: m = massa g = aceleração da gravidade h = altura

ENSAIO DE IMPACTO

Ensaio de Impacto

REFERÊNCIAS Souza, Sérgio Augusto de, 1939 – Ensaios Mecânicos de Materiais

Metálicos. Fundamentos Teóricos e Práticos. São Paulo, Edgar Blucher, 1982.

Bortoli Dalcin, Gabrieli - Ensaios dos Materiais. Santo Ângelo, 2007. Disponível em: http://www.urisan.tche.br/